Perancangan Soft Starter Motor Induksi Satu Fasa dengan Metode Closed Loop Menggunakan Mikrokontroler Arduino

Transkripsi

1 1 Perancangan Soft Starter Motor Induksi Satu Fasa dengan Metode Closed Loop Menggunakan Mikrokontroler Arduino Ardhito Primatama, Soeprapto, dan Wijono Abstrak Motor induksi merupakan alat yang paling banyak digunakan dalam industri baik industri besar maupun industri rumahan dikarenakan konstruksinya yang sederhana dan handal. Motor yang paling banyak digunakan di industri rumahan adalah motor induksi satu fasa. Motor induksi memiliki permasalahan yang sangat merugikan sistem, yaitu arus pengasutannya yang tinggi. Salah satu solusi dari permasalahan ini adalah menggunakan soft starter. Dewasa ini teknologi elektronika daya TRIAC digunakan sebagai komponen utama dalam soft starter. Pengaturannya juga diatur dengan mikrokontroler untuk memudahkan melakukan pengasutan. Mikrokontroler yang digunakan dalam penelitian ini adalah Arduino. Soft starter yang dirancang mampu menurunkan arus pengasutan hingga 2 kali untuk pengasutan tanpa beban dan 3 kali untuk pengasutan dengan beban generator sinkron. Torsi pengasutan yang dihasilkan oleh soft starter sebesar 0,023 Nm untuk pengasutan tak berbeban dan 0,43 Nm untuk pengasutan dengan beban generator sinkron. Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan pengasutan menggunakan soft starter tak berbeban selama 0,77 detik sedangkan untuk kondisi berbeban generator sinkron sebesar 7,92 detik. Index Terms soft starter, motor induksi satu fasa, TRIAC, Arduino, arus pengasutan, torsi pengasutan. M I. PENDAHULUAN OTOR induksi merupakan alat yang paling banyak digunakan dalam industri baik industri besar maupun industri rumahan dikarenakan konstruksinya yang sederhana dan handal. Untuk industri rumahan yang tidak memiliki instalasi tiga fasa digunakanlah motor induksi satu fasa. Baik motor induksi tiga fasa maupun satu fasa memiliki masalah pada proses pengasutan yaitu arus pengasutannya yang bernilai lima sampai tujuh kali arus nominal motor. Hal ini sangat merugikan. Meskipun hanya berlangsung beberapa milidetik hal ini akan mengakibatkan terganggunya sisi sumber tegangan dikarenakan motor menarik arus untuk membuat motor berputar. Dengan berkembangnya teknologi elektronika daya permasalahan tersebut dapat diatasi menggunakan soft starter. Soft starter dapat dikendalikan dengan mikrokontroler yang mudah ditemukan di pasaran agar para pelaku industri rumahan dapat merancang dan menggunakan soft starter dengan mudah. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Prinsip Kerja Motor Induksi Satu Fasa Motor induksi multi fasa sering dijumpai dalam berbagai aplikasi berdaya besar sebagai penggerak utama seperti dijumpai di dunia industri sebagai pompa, kipas angin, kompresor dll. Motor induksi sering pula digunakan secara luas pada peralatan rumah tangga sebagai kipas angin, mesin cuci, peralatan pertukangan, dll. Pada industri rumahan motor induksi satu fasa lebih banyak dijumpai karena instalasi listrik rumah adalah satu fasa. Perbedaan motor induksi satu fasa dan tiga fasa secara mendasar adalah motor induksi satu fasa membutuhkan kumparan bantu untuk membantu pengasutan motor dikarenakan motor induksi satu fasa tidak memiliki torsi pengasutan [1]. Konfigurasi motor induksi satu fasa ditunjukkan pada Gb 1 dimana pada stator terdiri atas dua buah kumparan medan dimana arah medan magnet bergerak berputar saling berlawanan searah jarum jam dan kebalikannya. Teori yang menjelaskan prinsip kerja motor induksi satu fasa adalah double revolving field theory [1]. Gb. 1 Konfigurasi dasar motor induksi satu fasa Teori ini menjelaskan munculnya torsi ketika rotor sudah berputar. Torsi yang timbul merupakan hasil pertambahan dari masing-masing medan magnet. Pada Gb.2 ditunjukkan arah pergerakan kerapatan fluksi pada motor induksi satu fasa. Ardhito Primatama adalah kandidat Sarjana Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Brawijaya (Telp./mobile: ; ardhito.primatama@gmail.com). Soeprapto dan Wijono adalah staf pengajar Jurusan Teknik Elektro Universitas Brawijaya ( prapto1056@gmail.com; wijono@yahoo.com).

2 2 sensor kecepatan. Bagian yang kedua adalah perancangan perangkat lunak berupa diagram alir sistem soft starting. Gb. 2 Dua buah medan magnet yang bergerak saling berlawanan B. Pengasutan Motor Induksi Satu Fasa Motor induksi terbagi menjadi 5 jenis berdasarkan metode dalam menghasilkan beda fasa pada arus di kumparan utama dan kumparan bantu. Yaitu Split-phase, Capacitor-start, Capacitor-run, Capacitor-start & run, Shaded-pole [2]. Pada penelitian ini digunakan Capacitor-run motor. Rangkaian skematik dan kurva torsi-kecepatan jenis motor ini ditunjukkan pada Gb. 3. B. Pengujian dan Analisis Pengujian diakukan pada setiap blok rangkaian dan hasil pada masing-masing blok diamati. Setelah pengujian tiap blok dilakukan kemudian pengujian dilakukan pada keseluruhan blok yang menjadi satu sistem soft starter motor induksi satu fasa. Pengujian dilakukan dalam beberapa tahap: 1. Pengujian rangkaian zero crossing detector 2. Pengujian rangkaian optocoupler 3. Pengujian sudut penyalaan TRIAC 4. Pengujian sensor arus ACS Pengujian tachogenerator 6. Pengujian keseluruhan sistem soft starter motor induksi satu fasa dengan metode closed loop IV. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT A. Blok Diagram Sistem Soft Starter Gb. 4 Diagram blok sistem soft starter dengan metode closed loop Gb. 3 Rangkaian skematik dan kurva torsi-kecepatan capacitor-run motor Persamaan torsi pengasutan didapatkan dari penurunan persamaan rangkaian ekuivalen motor induksi capacitor-run. III. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini didasarkan pada masalah yang bersifat aplikatif, yang dapat dirumuskan menjadi 3 permasalahan utama, yaitu bagaimana merancang sebuah soft starter motor induksi tiga fasa dengan metode closed loop berbasis mikrokontroler, bagaimana kinerja soft starter dalam skala lab, serta bagaimana pengaruh penambahan umpan balik terhadap arus pengasutan motor dan torsi motor. Untuk itu langkahlangkah pelaksanaan penelitian ini akan mencakup studi literatur untuk mempelajari teori penunjang yang dibutuhkan, perancangan dan pembuatan alat, pengujian dan analisis, serta penarikan kesimpulan. A. Perancangan dan Pembuatan Alat Perancangan soft starter motor induksi satu fasa terbagi dalam bagian yaitu perancangan perangkat keras berupa penentuan TRIAC, perancangan rangkaian zero cross detector, perancangan rangkaian pemicuan gate TRIAC, perancangan rangkaian sensor arus dan tachogenerator sebagai (1) (2) Sistem pada Gb. 4 dimulai dengan deteksi fasa yang dilakukan oelh rangkaian zero cross detector untuk mendapatkan titik persimpangan antara gelombang tegangan bolak-balik dengan titik nol. Sinyal keluaran rangkaian zero cross detector ini akan diolah mikrokontroler. Rangkaian optocoupler berfungsi sebagai jembatan pemisah antara tegangan 220V AC dan 5V DC untuk menghindari kerusakan pada mikrokontroler. Sinyal dari optocoupler ini diberikan ke mikrokontroler dan diteruskan ke gate TRIAC. Proses pengaturan fasa dilakukan oleh TRIAC pada saat pengasutan motor induksi. Di saat yang sama sensor arus dan tachogenerator akan memberikan sinyal feedback kepada mikrokontroler untuk menentukan sudut penyalaan pada proses pengasutan motor induksi. Feedback dari sensor arus dan tachogenerator akan menurunkan arus pengasutan dan menjaga kebutuhan torsi pada proses pengasutan motor. B. Perancangan Perangkat Keras Soft Starter Perancangan perangkat keras soft starter terbagi menjadi beberapa bagian, antara lain: Perancangan perangkat keras soft starter terbagi menjadi beberapa bagian, antara lain: 1) Pemilihan motor & karakteristik motor 2) Penentuan komponen semikonduktor daya TRIAC 3) Perancangan rangkaian zero crossing detector tegangan bolak-balik.

3 3 4) Perancangan rangkaian pemicuan gate TRIAC. 5) Perancangan perangkat unit pelindung rangkaian. 6) Perancangan sistem kontrol soft starter Gb. 7 Pengujian rangkaian zero cross detector Gb. 5 Rangkaian keseluruhan soft starter motor induksi satu fasa C. Perancangan Perangkat Lunak Soft Starter Perancangan perangkat lunak soft starter dibuat dengan program bawaan Arduino Gb. 7 menunjukkan gelombang tegangan bolak-balik bersinggungan dengan gelombang tegangan keluaran optocoupler yang terdiri atas 2 buah LED dan phototransistor. Salah satu LED akan menyala ketika gelombang sinusoida AC tidak pada titik nol tegangan. Ini mengakibatkan keluarannya tetap nol. Apabila tegangan bolak-balik berada pada titik nol tegangan maka LED akan padam begitu juga dengan phototransistor, sehingga pull-up resistor akan memberikan tegangan dari VCC dan akan menghasilkan output pada saat tegangan bolak-balik berada pada titik nol. Ini menunjukkan bahwa rangkaian zero cross detector mampu digunakan sebagai acuan bagi mikrokontroler untuk melakukan proses pemicuan TRIAC. B. Pengujian Rangkaian Optocoupler MOC3021 Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah rangkaian mampu berfungsi sebagai pemicu gate TRIAC dengan sinyal keluaran dari mikrokontroler yang berasal dari sinyal acuan zero cross detector. Gb. 8 Pengujian rangkaian optocoupler MOC3021 Gb. 6 Diagram alir program soft starter dengan metode closed loop V. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Pengujian dilakukan per blok untuk dapat mengetahui permasalahan di tiap blok agar proses troubleshooting lebih mudah dilakukan. A. Pengujian Rangkaian Zero Cross Detector Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah rangkaian zero crossing detector sudah berfungsi dengan baik sebagai penanda titik nol gelombang AC yang digunakan mikrokontroler sebagai acuan pemicuan TRIAC. Pada Gb. 8 terlihat sinyal keluaran optocoupler MOC3021 yang berbentuk logika HIGH pada interval setiap 10 ms. Sinyal keluaran MOC3021 ini memiliki interval yang sama dengan gelombang tegangan bolak-balik. Interval 10 ms merupakan waktu dari tepi naik ke tepi turun setengah gelombang tegangan bolak-balik. Sinyal keluaran MOC3021 sudah mampu digunakan sebagai pemicu TRIAC dari referensi sinyal keluaran rangkaian zero cross detector. C. Pengujian Rangkaian Penyulutan TRIAC Pengujian ini bertujuan untuk apakah rangkaian yang telah dirancang mampu mengatur gelombang sinusoida tegangan AC sebagai komponen utama soft starter.

4 4 Pengu jian ke-n Gb. 9 Pengujian rengakaian penyulutan TRIAC TABLE I HASIL PENGUJIAN RANGKAIAN PENYULUTAN TRIAC Sudut penya laan (α) Perhitungan fungsi tunda (ms) Dari Tabel I didapatkan nilai error selisih keseluruhan hasil perhitungan sudut penyalaan internal mikrokontroler cukup kecil, ditunjukkan dengan nilai error sebesar 0,64%. Error disebabkan proses perhitungan dan pembulatan angka oleh mikrokontroler dan sumber AC yang tidak ideal baik dari frekuensi dan bentuk gelombang tegangan menyebabkan selisih antara perhitungan dan pengukuran. Berdasarkan analisis dan data pengujian di atas disimpulkan bahwa hasil kalkulasi dan perhitungan internal mikrokontroler mampu menghasilkan sudut penyalaan yang sesuai dengan yang diberikan. D. Pengujian Sensor Arus ACS712 Pengujian fungsi tunda(ms) error (ms) error( %) ,50 7,50 0,00 0,00% ,22 7,20 0,02 0,31% ,94 6,90 0,04 0,64% ,67 6,60 0,07 1,00% ,39 6,30 0,09 1,39% ,11 6,10 0,01 0,18% ,83 5,80 0,03 0,57% ,56 5,60 0,04 0,80% ,28 5,20 0,08 1,47% ,00 5,00 0,00 0,00% Error rata-rata 0,64% Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah sensor arus ACS712 mampu digunakan sebagai feedback dari sistem dengan cara membaca nilai arus yang mengalir ke motor. Dari hasil perhitungan yang dapat dilihat pada tabel II nilai error didapatkan rata-rata kesalahan nilai pembacaan sebesar ± 1%. Nilai error ini muncul dikarenakan pembulatan yang terjadi di dalam mikrokontroler dan sumber AC yang kurang ideal sehingga menyebabkan terjadi perbedaan antara pembacaan nilai arus yang dilakukan ampmeter dan sensor arus. Meskipun pembacaan pada sensor arus masih terdapat kesalahan pembacaan, ACS712 dapat digunakan sebagai perekam nilai arus yang mengalir ke motor untuk nantinya diumpankan ke mikrokontroler sebagai referensi pengaturan fasa untuk proses pengasutan motor induksi. TABLE II HASIL PENGUJIAN SENSOR ARUS ACS712 Pengujian Pembacaan Pembacaan Error ke - n Ampmeter (A) E. Pengujian Tachogenerator Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah rangkaian tachogenerator mampu mendeteksi kecepatan putar rotor motor induksi dan mampu diumpanbalikkan ke mikrokontroler. TABLE III HASIL PENGUJIAN TACHOGENERATOR Tegangan keluaran tachogenerator terlalu kecil untuk diumpanbalikkan ke mikrokontroler, karena mikrokontroler membutuhkan tegangan masukan ADC minimal 2,5 VDC. Sehingga dibutuhkan rangkaian penguat tegangan. Dalam pengujian ini digunakan IC LM358 sebagai opamp dan variable resistor sebagai resistornya untuk mempermudah pengaturan penguatan. Dalam rangkaian ini digunakan penguatan sebanyak 3 kali tegangan masukan, sehingga jika keluaran tachogenerator 1 VDC maka keluaran rangkaian op-amp adalah 3 VDC. Dengan besar 3 VDC sudah mampu diterima oleh ADC mikrokontroler dan bisa diolah di program mikrokontroler. Penguatan sebesar 3 kali dipilih karena port ADC mikrokontroler hanya mampu membaca tegangan dengan rentang 2,5-5 V DC. F. Pengujian Keseluruhan Sistem ACS712 Pengujian rangkaian secara keseluruhan ini bertujuan untuk mengetahui kinerja keseluruhan sistem yang telah dirancang sebelumnya dengan mengasut motor induksi tanpa beban dan berbeban serta membandingkan metode pengasutan langsung dan metode soft starting untuk tiap data pengujian. (A) (±A) Error (±%) , , ,01 0, ,01 0, , ,01 0, ,97 0, ,01 0, ,97 0,03 3 Kecepatan Motor (rpm) Pembacaan Multimeter (V) Keluaran rangkaian penguat sinyal (V) 500 0,5 1, ,5 4,5

5 5 (a) (b) Gb. 10 Hasil pengujian pengasutan motor induksi tak berbeban (a) pengasutan langsung tak berbeban (b) pengasutan dengan soft starter tak berbeban TABLE IV HASIL PENGUJIAN PENGASUTAN TAK BERBEBAN Arus Starting (A) 6,62 5,79 Arus Steady (A) 2,09 2,09 Tegangan Puncak (V) Waktu Transien (detik) 0,9 2,32 Tegangan puncak yang ditunjukkan pada gambar 5.17 adalah sebesar 75 V. Pembacaan ini merepresentasikan nilai arus starting sebesar 5,79 A. Soft starter mampu menurunkan arus starting motor induksi dari nilai 6,62 A pada pengasutan secara langsung. Untuk mendapatkan nilai torsi didapatkan dari nilai perbandingan antara torsi starting dengan torsi beban penuh. Diketahui bahwa nilai torsi proporsional dengan nilai arus kuadrat [3]. (3) Maka digunakan persamaan, Nilai torsi beban penuh didapatkan dari perhitungan, (4) (5) (a) (b) Gb. 11 Hasil pengujian pengasutan motor induksi berbeban generator sinkron (a) pengasutan langsung tak berbeban (b) pengasutan dengan soft starter tak berbeban TABLE V HASIL PENGUJIAN PENGASUTAN BERBEBAN GENERATOR SINKRON Arus Starting (A) 8,28 5,33 Arus Steady (A) 2,39 2,39 Tegangan Puncak (V) Waktu Transien (detik) 0,77 7,92 Grafik pengasutan motor induksi secara langsung tak berbeban ditunjukkan pada Gb 10 (a) dimana grafik ditunjukkan pada kondisi transien. Pada kondisi transien gelombang memiliki waktu transien selama 0,9 detik. Ini didapatkan dari pengurangan nilai waktu dari motor mulai berjalan yang ditunjukkan dengan gelombang yang tinggi sampai dengan motor steady yang ditunjukkan dengan gelombang yang mulai stabil. Frekuensi gelombang memiliki nilai yang sama pada saat transien dan steady yaitu 50 Hz. Sedangkan pada Gb 10 (b) menunjukkan grafik pengasutan motor dengan soft starter berbeban generator sinkron. Pada gambar ini terlihat bahwa gelombang memiliki waktu transien yang lebih lama dibanding gambar Gb 10 (a). Waktu transien pada gambar ini sebesar 2,32 detik. Hal ini dikarenakan proses pemasukan tegangan dengan mengatur sudut penyalaan dari sudut penyalaan yang paling besar sampai tegangan penuh. Pada Gb 10 (b) terlihat bahwa bentuk gelombang tidak sempurna. Hal ini disebabkan oleh proses pengaturan sudut penyalaan yang memotong bentuk gelombang tegangan bolakbalik. Komponen semikonduktor daya yang digunakan juga mempengaruhi bentuk dari gelombang yang dihasilkan. = 0,9214 lb-ft = 1,24 Nm Nilai slip beban penuh pada kondisi tidak berbeban didapatkan dari perhitungan, (6) = 0,3 % Dengan persamaan (5) maka didapatkan nilai torsi, Nilai torsi starting pada pengasutan motor induksi dengan menggunakan soft starter memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan pengasutan langsung seperti pada tabel VI Ini menunjukkan bahwa soft starter mampu menurunkan arus starting motor induksi dan torsi starting TABLE VI HASIL PERHITUNGAN SLIP DAN TORSI KONDISI TAK BERBEBAN Slip (%) 0,3 0,3 Torsi Starting (Nm) 0,037 0,028 yang dihasilkan soft starter tidak terpaut jauh dengan torsi starting dengan menggunakan pengasutan langsung. Grafik pengasutan motor induksi dengan berbeban generator sinkron secara langsung ditunjukkan pada Gb 11 (a). Pada grafik pengasutan ditunjukkan bahwa waktu transien pada pengasutan secara langsung selama 0,77 detik. Pada Gb 11(b) menunjukkan grafik pengasutan motor induksi dengan soft starter. Waktu transien pada pengasutan dengan soft starter selama 7,92 detik. Nilai arus starting pada pengasutan langsung bernilai 8,28 A, sedangkan pada pengasutan dengan menggunakan soft starter bernilai 5,33 A. Nilai slip motor induksi pada pengasutan dengan beban generator sinkron didapatkan dengan persamaan, (7) = 5% Dengan persamaan (5) maka didapatkan nilai torsi starting pada pengasutan langsung dan dengan soft starter.

6 6 TABLE VII HASIL PERHITUNGAN SLIP DAN TORSI KONDISI BERBEBAN GENERATOR SINKRON Slip (%) 5 5 Torsi Starting (Nm) 0,744 0,307 Nilai torsi pengasutan dengan menggunakan soft starter memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan pengasutan langsung pada tabel VII. Torsi yang lebih rendah ini tetap mampu memutar motor induksi. Ini menunjukkan bahwa soft starter mampu menurunkan nilai arus starting motor induksi dan torsi pengasutan yang dihasilkan tidak terpaut jauh dengan pengasutan langsung. Berdasarkan perancangan soft starter dan analisis yang dilakukan mampu menurunkan arus pengasutan motor induksi sesuai dengan tujuan awal penelitian ini. Torsi yang dihasilkan oleh soft starter juga mampu untuk memutar motor induksi. Waktu peralihan yang dibutuhkan untuk melakukan starting motor juga cukup singkat untuk memutar motor induksi. Untuk mengetahui grafik perubahan torsi terhadap waktu pada pengasutan langsung dan menggunakan soft starter dalam kondisi tak berbeban dapat dilihat pada Gb 11 dan Gb 12. nilai torsi yang tidak beraturan setelah mencapai nilai breakdown torque, hal ini disebabkan adanya torsi lawan dan mengakibatkan komponen elektronika soft starter terganggu kerjanya. Sehingga keluaran yang dihasilkan tidak sesuai dengan yang diinginkan. Gb. 13 Grafik torsi terhadap waktu pengasutan langsung berbeban Gb. 14 Grafik torsi terhadap waktu pengasutan dengan soft starter berbeban Gb. 11 Grafik torsi terhadap waktu pengasutan langsung tak berbeban Pada Gb 11 dan Gb 12 dapat terlihat perbedaan dimana pada Gb 11 nilai torsi awal memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan Gb 12. Hal ini disebabkan prinsip kerja soft starter yang memasukkan tegangan secara bertahap dari sudut penyalaan terbesar hingga sudut 0 0. Hal ini juga menyebabkan waktu yang dibutuhkan sampai dengan steady state lebih lama dibandingkan pengasutan langsung. Gb. 12 Grafik torsi terhadap waktu pengasutan soft starter tak berbeban Sedangkan untuk grafik perubahan torsi terhadap waktu pada pengasutan langsung dan menggunakan soft starter dalam kondisi berbeban dapat dilihat pada Gb 13 dan Gb 14. Pada kondisi berbeban, pengasutan dengan soft starter menghasilkan kenaikan torsi yang seiring dengan pertambahan waktu sampai mencapai nilai breakdown torque kemudian turun hingga mencapai nilai steady state. Pada Gb 14 terlihat VI. KESIMPULAN 1) Arus pengasutan motor induksi satu fasa dapat diturunkan menjadi sampai ± 2 kali arus nominal untuk pengasutan motor induksi dengan soft starter tak berbeban dan ± 3 kali arus nominal untuk pengasutan motor induksi dengan soft starter berbeban generator sinkron. 2) Untuk mendapatkan arus pengasutan yang rendah ini ada yang harus dikorbankan yaitu waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi steady state menjadi lebih lama dibandingkan dengan pengasutan langsung. 3) Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi steady state pada pengasutan dengan soft starter pada kondisi tak berbeban selama 0,77 detik sedangkan untuk kondisi berbeban generator sinkron selama 7,92 detik. 4) Begitu pula dengan torsi pengasutan yang dihasilkan pada saat menggunakan soft starter memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan pengasutan langsung untuk kondisi tak berbeban maupun berbeban generator sinkron. 5) Namun torsi yang dihasilkan pada pengasutan motor induksi masih mampu memutar motor dengan nilai 0,028 Nm dengan soft starter untuk kondisi tak berbeban sedangkan pada kondisi berbeban memiliki nilai 0,307 Nm. REFERENCES [1] Chapman, Stephen J., Electric Machinery Fundamentals. New York: McGraw-Hill.. [2] Sen, P.C Principles of Electric Machines and Power Electronics. Ontario: John Wiley & Sons, Inc.. [3] Zuhal Dasar Tenaga Listrik. Bandung: Penerbit ITB.